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Streiflichter


Studium Integrale Journal
25. Jahrgang / Heft 1 - Mai 2018
Seite 55 - 65




Wer kennt ihn nicht, den im Volksmund oft als „Butterblume“ bezeichneten Hahnenfuß. Viele verschiedene Arten dieser Gattung bereichern die heimische Flora; zu den besonders verbreiteten Arten gehört der Scharfe Hahnenfuß (Ranunuculus acris), den das Weidevieh wegen seiner scharf schmeckenden Blätter auf den Wiesen meist stehen lässt, oder der Kriechende Hahnenfuß (Ranunculus repens), der häufig z. B. an Wegrändern zu finden ist. Neben gelb blühenden Arten kommen auch einige Arten mit weißen Blüten vor. Weltweit sind über 500 Arten bekannt.

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Abb. 1: Blüte des Wolligen Hahnenfußes (Ranunculus languinosus) mit dem auffälligen Lackglanz, der zur Blütenmitte hin von einer matteren Zone abgelöst wird. (Foto: R. Junker)

Der Name „Butterblume“ kommt nicht von ungefähr, sehen doch die gelben Kronblätter in der Sonne aus, als wären sie mit Fett eingerieben, sie wirken wie lackiert. Was dazu führt, hat Botaniker schon lange interessiert. Bisher bekannt war, dass die Epidermis (Oberhaut) durch Carotinoide kräftig gelb gefärbt ist und sich darunter eine weiße, stärkeführende, reflektierende Schicht befindet. Wie der aufmerksame Beobachter leicht merken kann, fehlt der „Lackglanz“ im inneren Teil der Kronblätter (Abb. 1); dort wird kaum UV-Licht reflektiert, was die Blüten für die UV-sichtigen Insekten gleichsam bunter macht und Saftmal-Wirkung ausübt, also Wegweiser-Funktion ermöglicht.

Forscher um Casper van der Kooi von den Universitäten Groningen und Lausanne wollten es genauer wissen und sind dem Glanz der Butterblumen näher auf den Grund gegangen. Sie untersuchten die glänzenden Kronblätter verschiedener Hahnenfuß-Arten und des nahe verwandten Scharbockskrauts (Ficaria verna = Ranunculus ficaria) fotografisch und unter dem Elektronenmikroskop; zum Vergleich untersuchten sie auch die nicht glänzenden Blüten der verwandten Sumpfdotterblume (Caltha palustris). Dabei stellten sie bei ersteren eine spezielle Oberflächenstruktur fest: Die obere Epidermis ist mit nur 0,003 mm Dicke extrem dünn, sehr glatt und hyalin; sie enthält in hoher Konzentration in Öl gelöste Pigmente (Karotinoide), die blaues Licht stark absorbieren und gelbe Wellenlängen reflektieren. Unter der Epidermis befindet sich eine Luftschicht. Dies alles führt dazu, dass hier Interferenzeffekte auftreten, also Strukturfarben, wie man sie aus der Physik für sehr dünne, optisch transparente Schichten kennt, und die hier für den Glanz verantwortlich sind. Außerdem werden die nicht von der epidermalen Pigmentschicht reflektierten Lichtwellen an der Stärkeschicht gestreut und zurückreflektiert. Dadurch wird ebenfalls blaues Licht gefiltert, was den Gelbeffekt deutlich verstärkt. Der besondere Farbeffekt entsteht also durch eine geschickte Kombination von Struktur- (bzw. Interferenz-) und Pigmentfarben. Die Bestäuber erkennen durch diese Effekte die Blüten auch aus weiter Entfernung und werden so zielsicher zum Zentrum der Blüte geleitet.

So zeigen die glänzenden Blüten der Hahnenfuß-Verwandtschaft gleich mehrere Besonderheiten, die aus dem übrigen Pflanzenreich nicht bekannt sind. Das ist zum einen die Stärkeschicht, die im Zusammenwirken mit dem hohen Pigmentgehalt der Epidermis die Farbe stark intensiviert, zum anderen die extrem dünne und glatte Epidermis, die durch Interferenz für den Glanz sorgt. Auf jeden Fall ist diese Kombination aus Pigment- und Strukturfarben im gesamten Pflanzenreich einmalig – also „typisch Hahnenfuß“. Strukturfarben kommen aber öfter im Tierreich vor, so bei den Schillerfarben von Vogelfedern oder Schmetterlingsflügeln – es liegen sehr ähnliche physikalische Prinzipien und passende Feinstrukturen zugrunde.

Damit Struktur- bzw. Interferenzfarben entstehen können, müssen die betreffenden Oberflächen besondere Nano-Strukturen haben, die regelmäßig angeordnet sind oder auch weniger geordnet sein können und deren Abstände etwa den Wellenlängen des Lichts entsprechen. Hier braucht es also eine recht genaue Feinabstimmung.

Aber es kommt bei den Hahnenfußblüten noch mehr dazu: Die kelchförmigen Blüten folgen in ihrer Ausrichtung dem Stand der Sonne – eine durchaus anspruchsvolle Leistung, müssen doch ständig ein Abgleich zwischen Einstrahlwinkel und Position der Blüte und die Nachführung vorgenommen werden – ein typischer Regelkreis. Die Hohlspiegelform führt dazu, dass das Licht auf die Staub- und Fruchtblätter im Inneren der Blüte gelenkt wird, was dort die Temperatur um einige Grad gegenüber der Umgebung erhöht und damit die Entwicklungsvorgänge beschleunigt (van der Kooi et al. 2017, 7). Das funktioniert sogar bei bedecktem Himmel, wenn die Blüten geschlossen werden, weil auch die Kelchblätter Licht Richtung Zentrum reflektieren.

Interessant ist noch ein weiterer Befund: Unter Zugrundelegung einer aktuell publizierten Phylogenie (Stammbaumrekonstruktion) von Ranunculus und verwandten Gattungen (inkl. Ficaria) sind die Arten mit glänzenden Kronblättern so im System verteilt, dass angenommen werden muss, dass der Glanzeffekt zur ursprünglichen Ausprägung gehört und teilweise verloren gegangen ist (van der Kooi et al. 2017, 7). Wie in vielen anderen Fällen wäre demnach auch hier – entgegen gängigen Evolutionsvorstellungen – die komplexere Situation die ursprüngliche.

R. Junker

[Van der Kooi CJ, Elzenga JTM, Dijksterhuis J & Stavenga DG (2017) Functional optics of glossy buttercup flowers. J. Roy. Soc. Interface, doi:10.1098/rsif.2016.0933]


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Viele Vogelfedern oder Schmetterlingsflügel begeistern durch ihre Farbenpracht. Dabei können die Farben auf unterschiedliche Weise hervorgebracht werden: durch Farbpigmente (Pigmentfarben) oder durch besondere Strukturen im Nano- bis Mikrometerbereich auf Oberflächen, an denen einfallendes Licht gestreut wird. Je nach Einfallswinkel und Betrachtungsrichtung führt dies zu unterschiedlichen Farbreflexionen (Strukturfarben). Die Mischung von Pigment- und Strukturfarben kann zusätzliche Farbschattierungen hervorrufen.

Strukturfarben kommen auch auf zahlreichen Blüten vor und können eine wichtige Rolle bei der Anlockung bestäubender Insekten spielen. Bekanntlich sind Insekten in der Lage, UV-Licht optisch wahrzunehmen, und sie reagieren besonders auch auf Blautöne. Zwar sind Pflanzen kaum in der Lage, entsprechende Farbpigmente zu synthetisieren, doch hier helfen Strukturfarben aus. Viele Arten bilden leicht ungeordnete, filigrane Rillenstrukturen in der Größe von einigen hundert Nanometern auf den inneren Bereichen ihrer Kronblätter und erzeugen auf diese Weise Strukturfarben in den von den Blütenbesuchern „gern gesehenen“ Farben, mit denen Insekten angelockt werden können. Eine deutsch-britische Forschergruppe hat diesen Effekt an Blüten von zwölf Arten mit flachen Kronblättern genauer elektronenmikroskopisch untersucht (Moyroud et al. 2017). Sie fanden heraus, dass die feinen Rillen nicht perfekt periodisch angeordnet, sondern leicht ungeordnet sind, indem sie in Breite und Abstand variieren. Doch das scheint kein Nachteil zu sein, sondern gerade die passende Reflexion des Lichts zu ermöglichen. Auf diese Weise entsteht im inneren Bereich der Blüte ein blauer bis ultravioletter Ring (Halo) aus einem relativ intensivem Streulicht, das am besten unter einem schmalen Blickwinkel von bis zu 25 Grad sichtbar ist (Abb. 1).

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Abb. 1: Bei der in Südafrika vorkommenden Schönen Bärenkamille (Ursinia speciosa, Familie Korbblütler) ist der blaue Halo wegen dunkler Pigmente auch für das menschliche Auge sichtbar, anders als bei heller gefärbten Blüten. (Botanischer Garten der Cambridge University, CC BY-SA 3.0)

Die Wissenschaftler setzten künstliche Blüten mit und ohne Haloeffekt ein und konnten damit zeigen, dass die als Versuchstiere eingesetzten Hummeln nach entsprechendem kurzem Training nur auf Blüten mit dem durch Strukturfarben erzeugten Halo flogen, während Blütenmuster mit flacher Oberfläche ohne blau-ultraviolettes Streulicht trotz Einfärbung mit Farbpigmenten verschmäht wurden.

Die untersuchten Blüten stammen von Arten unterschiedlicher systematischer Zugehörigkeit aus allen größeren Gruppen der bedecktsamigen Blütenpflanzen (Angiospermen). Dabei zeigte sich, dass Größe, Höhe und Anordnung der Nanostrukturen auf den Blüten stark variieren, aber letztlich denselben Streulichteffekt verursachen. Nicht eine ganz bestimmte Größe und Anordnung ist für den Schillerglanz entscheidend, sondern der Grad der Unordnung und die Art der Variation der Höhe und Abstände der Nanostrukturen. Die Autoren folgern daraus, dass die optischen Eigenschaft des winkelabhängigen Streulichts vielfach unabhängig, also konvergent entstanden sind, denn insgesamt sind Blüten mit ungeordneten Nanostrukturen selten und werden bei Arten, die als stammesgeschichtlich ursprünglich angesehen werden, nicht angetroffen. Das konvergente Auftreten ist erstaunlich, denn die strukturellen Anforderungen für die Erzeugung von Strukturfarben sind anspruchsvoll. „Die Entwicklungsbiologie dieser Strukturen ist ein wirkliches Geheimnis“, wird Beverley J. Glover, eine der an den Untersuchungen beteiligten Forscherinnen, zitiert (https://www.sciencedaily.com/releases/2017/10/171018132826.htm). Je anspruchsvoller eine Struktur, desto unwahrscheinlicher ihre Entstehung durch ungerichtete natürliche Mutations- und Auslesevorgänge; das gilt erst recht bei mehrfach unabhängiger Entstehung.

R. Junker

[Moyroud E, Wenzel T et al. (2017) Disorder in convergent floral nanostructures enhances signalling to bees. Nature 550, 469–474.]


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Abb. 1: Kohlmeise aus Lancashire. Meisen aus Großbritannien haben längere Schnäbel als ihre Artgenossen in anderen europäischen Ländern. (© Francis C. Franklin / CC-BY-SA-3.0)

Änderungen der Form bzw. Länge von Vogelschnäbeln aufgrund veränderter Selektionsbedingungen sind schon länger bekannt und durch Langzeitstudien dokumentiert. Viele Untersuchungen dazu gibt es bei den berühmten Darwinfinken der Galápagos-Inseln (z. B. Abzhanov et al. 2004, Lamichhaney et al. 2016). Doch diesbezüglich gilt durchaus das Motto „Warum denn in die Ferne schweifen, wenn das Gute liegt so nah?“ Denn Veränderungen von Schnäbeln aufgrund veränderter Umweltbedingungen wurden auch in Europa beobachtet. Darüber berichten Wissenschaftler um Mirte Bosse vom Niederländischen Institut für Ökologie in Wageningen (Bosse et al. 2017). Sie verglichen in einer Langzeitstudie Kohlmeisen (Parus major) aus Wytham in England mit Artgenossen zweier Lokalitäten in den Niederlanden und führten dazu umfangreiche Genomvergleiche mit Blutproben von über 2300 Vögeln durch. Die Ergebnisse verglichen sie mit den ökologischen Bedingungen, unter denen die Vögel lebten. Auf diese Weise wollten die Forscher herausfinden, welche Gene unter Selektionsdruck stehen und welchen Zusammenhang diese Gene mit der Schnabelform haben.

Es zeigte sich, dass u. a. besonders eine bestimmte Variante des Collagen-Gens COL4A5 bei den britischen Meisen deutlich häufiger vorkommt als bei den Meisen in den Niederlanden und dass dieses Gen im Zusammenhang mit längeren Schnäbeln steht und ihren Trägern in England einen größeren Fortpflanzungserfolg ermöglicht. Allerdings konnten die Forscher keine auffälligen Unterschiede in den natürlichen Nahrungsquellen finden, die den Vögeln in England und den Niederlanden zur Verfügung stehen, die den Unterschied in den Schnabelgrößen verständlich machen könnten. Anders als in den Niederlanden gibt es in England jedoch eine lange Tradition der Vogelfütterung. In Großbritannien wird etwa doppelt so viel Vogelfutter verfüttert als andernorts und in über der Hälfte der Gärten gibt es Futterstellen für die Meisen. Die Kohlmeisen mit den längeren Schnäbeln sind auch tatsächlich häufiger in den Gärten anzutreffen, in denen sie vom Menschen gefüttert werden. Möglicherweise hilft der längere Schnabel, besser an die Samen in den Futterbehältern heranzukommen. Die Forscher sind sich allerdings nicht ganz sicher, ob das wirklich der entscheidende Umweltfaktor ist, der die Verlängerung der Schnäbel begünstigt hat, halten es aber für naheliegend.

Bei den Genen, die im Zusammenhang mit der Veränderung der Schnäbel stehen, handelt es sich um Gene, die beim Menschen die Gesichtsform beeinflussen, und es gibt auch Übereinstimmungen der veränderten Gene mit jenen, die für die Vielfalt der Schnabelform bei den Darwinfinken (s. o.) verantwortlich sind.

Die Untersuchung umfasste Museumsmaterial von bis zu 70 Jahren zurück und Beobachtungen im Freiland. Die Änderungen erfolgten hauptsächlich ab den 1970er-Jahren. Das sei eine „wirklich kurze Zeitspanne für eine derartige Veränderung“, wird der Mitautor der Studie, John Slate von der University of Sheffield, zitiert (http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-22017-2017-10-20.html). Dieser Befund bei Kohlmeisen legt wie bereits viele andere nahe oder ist zumindest mit der Vorstellung kompatibel, dass den Arten ein Variationspotenzial innewohnt, das eine Anpassung an veränderte Umweltbedingungen innerhalb kurzer Zeit ermöglicht.

R. Junker

[Abzhanov A, Protas M, Grant BR, Grant PR & Tabin CJ (2004) Bmp4 and morphological variation of beaks in Darwin’s finches. Science 305, 1462–1465 • Bosse M, Spurgin LG et al. (2017) Recent natural selection causes adaptive evolution of an avian polygenic trait. Science 358, 365–368 • Lamichhaney S, Han F et al. (2016) A beak size locus in Darwin’s finches facilitated character displacement during a drought. Science 352, 470–474.]


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Typischerweise benutzen Vögel ein öliges

Sekret aus der Bürzeldrüse (Glandula uropygialis), um ihr Gefieder zu pflegen. Die Bürzeldrüse ist eine Hautdrüse, die sich oberhalb der Schwanzwurzel befindet, von dort nehmen Vögel die fettige Substanz mit dem Schnabel oder den Beinen auf und verteilen sie auf dem Federkleid. An den sehr gut erhaltenen fossilen Überresten eines Vogels hat ein internationales Team von Wissenschaftlern, an dem auch Mitarbeiter des Senckenberg-Forschungsinstituts beteiligt waren, Proben aus dem Bereich der Bürzeldrüse untersucht (O‘Reilly et al. 2017; Abb. 1 und 2). Das Fossil stammt aus der Grube Messel, einem UNESCO Weltkulturerbe, und konnte bisher noch nicht genau bestimmt und zugeordnet werden. Der Ölschiefer der Fossillagerstätte wird von Geologen ins Eozän eingeordnet und sein radiometrisches Alter mit ca. 48 Millionen Jahren angegeben.

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Abb. 2: Die chemische Analyse der in der Bürzeldrüse konservierten Bestandteile förderte alte Fette zutage, mit dem der Vogel sein Gefieder pflegte. (© Sonja Wedmann/Senckenberg) http://www.schattenblick.de/infopool/natur/biologie/nborn402.html
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Abb. 1: Das Vogelskelett aus der Grube Messel mit Bürzeldrüse (markiert). (© Sven Traenkner/Senckenberg) http://www.schattenblick.de/infopool/natur/biologie/nborn402.html

An der Position, an der im Fossil die Bürzeldrüse zu erwarten ist, konnten die Wissenschaftler einige Mikrogramm einer wachsartigen Substanz gewinnen, die sie analytisch untersucht und zur Kontrolle mit Proben aus fossilen Federnund dem umgebenden Ölschiefer verglichen haben. Außerdem zogen sie neben den fossilen Proben auch das Bürzeldrüsensekret von Vertretern heute lebender Vögel – Amsel, Ente und Specht – zu Vergleichen heran.

Die massenspektrometrischen Analysen zeigten zunächst, dass in allen drei fossilen Proben Gemische aus Kohlenwasserstoffverbindungen enthalten sind, die aus 8 bis 30 C-Atomen bestehen. Darüber hinaus konnten die Autoren zeigen, dass sich die Zusammensetzung der drei Proben unterscheidet. Dies bedeutet, dass im Bereich der Bürzeldrüse des fossilen Vogels ein anderes Kohlenwasserstoffgemisch vorliegt als im umgebenden Ölschiefer oder in den Federn.

Der Vergleich mit Sekreten aus Bürzeldrüsen heute lebender Vögel ergab Hinweise darauf, dass die ursprünglichen langkettigen Kohlenwasserstoffe (Fettsäuren und Fettalkohole) unter den Ablagerungsbedingungen verändert wurden (Diagenese), aber weitgehend frei von Verunreinigung geblieben sind. Als Grund für Letzteres führen die Autoren an, dass die Bürzeldrüsen­sekrete auch antibakteriell wirken und so das Wachstum von Bakterien im Bereich der Bürzeldrüse in der Frühphase der Fossilisation eingeschränkt gewesen sein könnte.

Mit dieser Untersuchung gelang es erstmals, die Bürzeldrüse anhand der chemischen Analyse der darin gebildeten Sekrete bzw. anhand ihrer durch Diagenese umgewandelten Komponenten in Vogelfossilien nachzuweisen. Die Autoren vermuten, dass für die außerordentlich gute Erhaltung niedrige Temperaturen und geringer Druck verantwortlich sind. Sie gehen davon aus, dass die ursprüngliche Zusammensetzung der Fette aus der Bürzeldrüse anhand der gewonnenen Daten rekonstruierbar ist und im vorliegenden Fall von Fettsäuren und Fettalkoholen mit Kettenlängen von 22 bis 28 C-Atomen dominiert wurden.

Die Analysedaten sind aufgrund der geringen Probenmengen nicht so zuverlässig abgesichert, wie das wünschenswert wäre. Sollten diese Daten aber durch weitere Untersuchungen bestätigt werden, dann erhebt sich aufgrund der spezifischen Erhaltung mit Dringlichkeit die Frage nach einem Erhaltungsmechanismus, der die Sekretkomponenten über die angegebene lange Zeit konserviert. Ähnlich wie bei der Erhaltung von Geweberesten und Eiweißfragmenten in Dinosaurierfossilien ist die Frage nach dem zugrundliegenden Mechanismus bisher offen. Eine Verkürzung der Erhaltungsdauer stellt eine Denkmöglichkeit dar, das Problem zu verringern.

H. Binder

[O´Reilly, Summons R, Mayr G & Vinther J (2017) Preservation of uropygial gland lipids in a 48-million-year-old bird. Proc. R. Soc. B 284 doi: 10.1098/rspb.2017.1050]


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Die Überraschungen über neue Befunde bei Fossilien, die zu Urvögeln oder taxonomisch nahestehenden Dinosauriern gestellt werden, reißen nicht ab. Zwei Biologen der LMU München unterzogen das nur unvollständig erhaltene in den Niederlanden aufbewahrte Haarlem-Exemplar des „Urvogels“ Archaeopteryx einer genaueren Analyse. Sie kamen zum Schluss, dass es keines der diagnostischen (einzigartigen) Merkmale mit Archaeopteryx teilt, sondern einige Proportionen und Merkmale mit der Gattung Anchiornis gemeinsam hat, die zu den Paraves gestellt wird. Die Paraves gelten als den Vögeln sehr nahe stehend und waren teilweise auch mit echten Federn ausgestattet, werden aber nicht als Vögel klassifiziert. Das Fossil wurde zu Ehren des Wirbeltierpaläontologen und Dinosaurierforschers John Ostrom in die neue Gattung Ostromia gestellt und der ebenfalls neu aufgestellten Familie Anchiornithidae zugeordnet. Das Haarlem-Exemplar war als erstes Archaeopteryx-Fossil im Jahr 1857 entdeckt worden, lange aber als Flugsaurier fehlinterpretiert und erst im Jahr 1970 als Theropode erkannt worden. Wie alle Archaeopteryx-Fossilien stammt es aus den fränkischen Solnhofener Plattenkalken. Durch die Neuklassifikation liegt damit erstmals ein Fund der Paraves außerhalb Ostasiens vor.

Die Autoren nahmen auch eine Analyse der geographischen und stratigraphischen Verteilung der Coelurosaurier vor. Coelurosaurier sind eine Untergruppe der Theropoden, zu denen auch die Vögel gerechnet werden. Dabei kommen sie zu bemerkenswerten Ergebnissen: Die derzeit vorliegenden Fossilfunde und ihre geographische Verteilung führen zur Annahme, dass die Coelurosaurier-Untergruppe der Maniraptoren („Handräuber“) eine „explosive Radiation“ erfahren hätten, die vermutlich im Mitteljura in Ostasien stattfand. Das von Foth & Rauhut (2017) veröffentlichte Cladogramm zeigt darüber hinaus, dass für einen Großteil der Coelurosaurier lange Geisterlinien angenommen werden müssen (Abb. 1). Das heißt: Es muss unter evolutionstheoretischen Voraussetzungen angenommen werden, dass viele Linien während 20-30 und z. T. noch mehr Millionen Jahren ihrer anzunehmenden Existenz keine Fossilien hinterlassen haben, während von anderen Linien aus vergleichbaren geologischen Schichten fossile Reste überliefert sind. Eine solche Situation ist evolutionstheoretisch und in einem Langzeitrahmen problematisch.

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Abb. 1: Cladogramm der Theropoden. Es zeigt, dass unter evolutionstheoretischen Voraussetzungen eine sehr schnelle Entstehung der verschiedenen Linien und zahlreiche lange Geisterlinien angenommen werden müssen. MrJ = Millionen radiometrische Jahre. (Nach Foth et al. 2017)

Weiter interpretieren die beiden Autoren die Befunde so, dass es im Oberen Jura eine rasche geographische Ausbreitung der verschiedenen Gruppen auch nach Europa gegeben haben müsse, was möglicherweise durch die geringe Körpergröße und die teilweise Flugfähigkeit erleichtert gewesen sei. Erstaunlicherweise nehmen sie außerdem an, dass die Flugfähigkeit mehrfach unabhängig entstanden sein könnte. Diese Annahme ist mittlerweile zwar nicht mehr ganz neu und wird durch die mosaikartige Merkmalsverteilung der unterschiedlichen Gattungen unterstützt, widerspricht aber früher explizit formulierten evolutionstheoretischen Prognosen. Alles in allem ist das von Foth & Rauhut gezeichnete Bild nur mit vielen Zusatzhypothesen in einen evolutionären Rahmen einpassbar.

R. Junker

[Foth C & Rauhut OWM (2017) Re-evaluation of the Haarlem Archaeopteryx and the radiation of maniraptoran theropod dinosaurs. BMC Evol. Biol. 17 (1), doi:10.1186/s12862-017-1076-y]


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Abb. 1: Der Trilobit Schmidtiellus reetae und seine Kopfregion (unten). (Aus Schoemenan et al. 2017, CC BY-NC-ND)

In den ältesten Schichten des Unterkambriums und – evolutionstheoretisch – somit an der Basis der „kambrischen Explosion“ wurden bei einem Trilobiten erstmals zellulär erhaltene Komplexaugen entdeckt. Sie zeigen im Wesentlichen den gleichen grundsätzlichen Aufbau eines Komplexauges wie bei Augen heutiger Bienen oder Libellen.

Die Entstehung von Augen ist eines der Lieblingsbeispiele von Evolutionstheoretikern, mit denen sie zeigen möchten, dass mittlerweile im Wesentlichen verstanden sei, wie ein komplexes Organ schrittweise evolutiv entstehen konnte. Auch in der Wikipedia wird dieser Eindruck vermittelt. Er entspricht jedoch in keiner Weise den Tatsachen. Die Aneinanderreihung von sechs unterschiedlich komplexen Augentypen werden der Komplexität dessen, was evolutionstheoretisch durch blinde Prozesse erklärt werden müsste, in keiner Weise gerecht (Ullrich et al. 2006). Augenserien, mit denen eine evolutive Entstehung plausibel gemacht werden soll, entsprechen zudem nicht einmal hypothetischen stammesgeschichtlichen Abfolgen konkreter Organismen, sondern sind theoretische Modellreihen. Zudem müsste aufgrund der sehr unsystematischen Verteilung von Augentypen im Tierreich im Rahmen evolutionstheoretischer Modellbildungen angenommen werden, dass etwa der Linsenaugen-Typ, wie ihn z. B. Wirbeltiere besitzen, vielfach unabhängig aus einfacheren Augentypen entstanden sein müsste (Jonasova & Kozmik 2008, fig. 1). Ähnliches gilt auch für andere Augentypen.

Weniger bekannt scheint zu sein, dass auch der Fossilbericht eine Evolution komplexer Augen nicht unterstützt – im Gegenteil: Sowohl Linsenaugen des Kameratyps als auch Komplexaugen (Facettenaugen) sind unter den ältesten vielzelligen Tieren der „kambrischen Explosion“ anzutreffen. Der räuberisch lebende Anomalocaris aus dem Unterkambrium besaß sogar Facettenaugen, die zu den größten und bestauflösenden bekannten Facettenaugen gehören und diesbezüglich nur von den Komplexaugen einiger Libellen übertrumpft werden (Paterson et al. 2011).

Bislang konnte man anhand der fossilen Erhaltung der kambrischen Fossilien allerdings nur die äußere Struktur von Komplexaugen untersuchen. Ein neuer hervorragend erhaltener Fund mit zellulär erhaltenen Augenstrukturen erlaubt nun aber auch Einblicke in den inneren Feinbau eines Trilobiten-Auges. Die Zoologin Brigitte Schoenemann von der Universität Köln und ihre Kollegen beschreiben die Details eines Komplexauges des Trilobiten Schmidtiellus reetae, der in den untersten Schichten des unteren Kambriums in Estland gefunden wurde. Trilobiten sind eine im Kambrium weit verbreitete Gruppe der Gliederfüßer. Die fossilen Augen zeigen, dass ihr Aufbau im Wesentlichen dem Bau heutiger sogenannter Appositionsaugen wie z. B. von Bienen oder Libellen entspricht. Bei Appositionsaugen ist jedes Einzelauge (Ommatidium) durch Pigmente von seinen Nachbaraugen abgeschirmt. Es fehlt bei Schmidtiellus allerdings die Linse, was jedoch durch einen besonderen Bau der Einzelaugen ausgeglichen wird, sodass nach Abschätzung der Wissenschaftler die Lichtstärke des Auges nicht geringer war als bei vergleichbaren heutigen Einzelaugen. „There is an elegant physical solution, however, of how to develop a quality image of modern type“ (Schoenemann et al. 2017, 1); „So, in total, the system of the trilobite S. reetae is in a state similar to modern aquatic arthropods, even without a lens“ (Schoenemann et al. 2017, 5).

Das Auge besteht aus etwa 100 Einzelaugen, die im Vergleich zu heutigen Formen relativ weit auseinander stehen. Jedes Ommatidium bestand wie in modernen Facettenaugen aus acht Sinneszellen: ein zentrales Lichtleiterstäbchen (Rhabdom) und sieben sich darum gruppierende Elemente. Der Fund zeige, dass „hochentwickelte (‚sophisticated’) Augen schon zu Beginn des Fossilberichts höherer Organismen existierten“, stellen die Wissenschaftler fest (Schoenemann et al. 2017, 1).

Mit nur etwa 100 „Pixeln“ war die Sehleistung freilich gering, doch ermöglichte die Anordnung der ca. 1 x 0,5 cm großen Augen ein breites Sichtfeld nach vorne und zur Seite, innerhalb dessen Bewegungen und Helligkeitsverteilungen wahrgenommen werden konnten. Doch wie erwähnt sind aus dem Unterkambrium auch ausgesprochen hochauflösende Komplexaugen bekannt; Schoenemann et al. (2017, 5) weisen selbst auf einen weiteren baltischen Trilobiten, Holmia kjerulfi, hin, der in nur wenig jünger datierten Schichten gefunden wurde und hochauflösende Augen mit dicht gepackten Einzelaugen besaß, eine Konstellation, die den Augen heutiger Libellen vergleichbar war.

Schoenemann et al. (2017, 1) merken an, dass der Ursprung der Trilobiten insgesamt unklar sei. Der fossile Nachweis von Facettenaugen, deren Grundaufbau im Wesentlichen „modern“ ist, in den ältesten kambrischen Schichten entspricht ziemlich dem Gegenteil dessen, was evolutionstheoretisch zu erwarten wäre.

R. Junker

[Jonasova K & Kozmik Z (2008) Eye evolution: Lens and cornea as an upgrade of animal visual system. Sem. Cell Dev. Biol. 19, 71–81 • Paterson RJ, García-Bellido DC, Lee MSY, Brock GA, Jago JB & Edgecombe GD (2011) Acute vision in the giant Cambrian predator Anomalocaris and the origin of compound eyes. Nature 480, 237–240 • Schoenemann B, Pärnaste H & Clarkson ENK (2017) Structure and function of a compound eye, more than half a billion years old. Proc. Natl. Acad. Sci. 114, 13489–13494 • Ullrich H, Winkler N & Junker R (2006) Zankapfel Auge. Ein Paradebeispiel für „Intelligent Design“ in der Kritik. Stud. Integr. J. 13, 3–14.]


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Pfauenspinnen (Maratus) gehören zu den Springspinnen und sie zeigen wie die Vögel, auf die ihr Name hinweist, ein auffälliges Farbspiel. Die irisierenden Farben der langen Schwanzfedern, die der Pfau zur Werbung bei Hennen einsetzt, weisen Pfauenspinnen an ihrem Hinterleib auf. Sie nutzen sie mit tänzerischen Bewegungen zum selben Zweck, der Werbung um Spinnenweibchen. Bei einigen australischen Vertretern der Pfauenspinnen ist das gesamte sichtbare Spektrum, also alle Regenbogenfarben, abhängig vom Betrachtungswinkel zu beobachten. Irisierende Farbmuster von Oberflächen im Pflanzen- und Tierreich zeigen oft nur einen kleinen Ausschnitt des sichtbaren Spektrums.

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Abb. 1: Pfauenspinne Maratus robinsoni (© Jürgen Otto)

Wie ein internationales Forscherteam um Matthew Shawkey jetzt durch mikroskopische und spektroskopische Untersuchungen gezeigt hat, können die beiden winzigen (nur ca. 2,5 mm großen) Pfauenspinnen Maratus robinsoni und M. chrysomelas die irisierenden Farben durch Lichtbrechung an mikroskopisch kleinen (bis zu 40 x 10 µm2 großen) Schuppen hervorrufen, die ihren Hinterleib bedecken (Hsiung et al. 2018). Die Autoren fanden jeweils zwei verschiedene Typen von Schuppen: In bestimmten Arealen des Hinterleibs einen Typs sind die einzelnen Schuppen unregelmäßig angeordnet und samtig, sie verursachen schwarze Bereiche, die den farblichen Kontrast auf dem Hinterleib verstärken. Die Felder mit den irisierenden Regenbogenfarben sind durch regelmäßiger angeordnete Schuppen gekennzeichnet, die sich an die Oberfläche anschmiegen. Der zweite Schuppentyp weist parallele Gitterstrukturen auf, wie bei einem optischen Gitter. Die Schuppen zeigen bei M. robinsoni im Querschnitt ein tragflächenartig gewölbtes, asymmetrisches Profil, wobei die Abstände der Gitterstrukturen auf beiden Seiten unterschiedlich sind. Die besondere Gitterstruktur der Schuppen führt zu einer Streuung des gesamten sichtbaren Spektrums, sodass dieses bereits auf geringe Distanz vollständig in Spektralbereiche zerlegt ist. Auf mikroskopisch kleinem Raum wird Licht spektral zerlegt, sodass man sagen kann, dass an den Schuppen auf dem Hinterleib dieser Pfauenspinnen die kleinsten bisher bekannten Regenbögen hervorgerufen werden.

Aufgrund der mikroskopischen Befunde stellten Hsiung et al. die Hypothese auf, dass das extreme winkelabhängige Schillern der Regenbogenfarben auf der Wechselwirkung des Lichts mit dem Nanogitter auf den mikroskopisch kleinen tragflächenartig gewölbten Schuppen beruht. Um diese Vorstellung zu prüfen, stellten die Autoren verschiedene Modelle mit optischen Gittern her (flache Gitter, Gitter auf Prismen und Gitter auf tragflächenartigen Profilen) und simulierten daran die reflektierten Spektren in Abhängigkeit vom Blickwinkel. Diese Simulationen bestätigen, dass sowohl das Profil, auf dem die Gitterstruktur aufgebracht ist, als auch die Gitterabmessungen, wie sie bei den Pfauenspinnen gefunden wurden, erforderlich sind, um den beschriebenen Schillereffekt des gesamten sichtbaren Spektrums hervorzubringen. Hsiung et al. heben zusammenfassend hervor, dass die innovative Kombination der regelmäßigen Gitterstruktur auf einer tragflächenartig gewölbten Schuppe das auffällige Schillern verursacht.

Die irisierenden Schuppen am Hinterleib von M. robinsoni und M. chrysomelas stellen das erste Beispiel in der Natur dar, in dem schillernde Regenbogenfarben als Signal genutzt werden (wobei die biologische Funktion des Signals im Detail noch nachzuweisen ist).

Da Licht auch in der Technik ein hohes Potenzial hat, z. B. in der Kommunikation, Sensorik, Sicherheitstechnik und in anderen Bereichen, sehen die Autoren in dem bei Pfauenspinnen entdeckten System der irisierenden Regenbogenfarben eine Inspiration für die Entwicklung kleinster lichtstreuender Bausteine mit extrem hoher Auflösung. Damit ist ein weiteres Kapitel der Bionik aufgeschlagen, in dem Entdeckungen in der Natur richtungweisend genutzt werden können, um technische Entwicklungen voranzutreiben.

Einen Eindruck dieses faszinierenden Farbspiels kann man sich im Internet verschaffen: https://youtube/eGS4JdewROU. Bei youtube sind noch weitere eindrucksvolle Pfauenspinnen dokumentiert.

Einer der Autoren sagte in einem Gespräch: „Selbst mit High-End-Fertigungstechniken konnten wir die genauen Strukturen nicht reproduzieren. Ich frage mich, wie die Spinnen diese fantastischen strukturellen Muster überhaupt entwickeln konnten.“ (Bild der Wissenschaft online vom 4. 1. 2018: http://www.wissenschaft.de/web/wissenschaft.de/leben-umwelt/natur/-/journal_content/56/12054/22009003/Schillerndes-Naturpatent-mit-Potenzial)

H. Binder

[Hsiung B-K, Siddique RH, Stavenga DG, Otto JC, Allen MC, Liu Y, LuY-F, Deheyen DD, Shawkey MD & Blackledge TA (2018) Rainbow peacock spiders inspire miniature super-iridescence optics. Nat. Comm.; doi: 10.1038/s41467-017-02451-x]


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Welchen Zusammenhang gibt es zwischen dem Aufbau des menschlichen Gehirns und der Fähigkeit des Menschen, sprechen zu können? Liefern die bekannten Asymmetrien von Hirnfurchen und Hirnwindungen bezüglich ihrer Größe und Lage beim Vergleich der rechten mit der linken Hemisphäre beim Menschen oder beim Vergleich mit der Situation bei Schimpansen tatsächlich belastbare Antworten? Seit mehr als 100 Jahren werden diese Hirnasymmetrien intensiv und kontrovers diskutiert, ohne dass eine Klärung ihrer funktionellen Bedeutung erreicht werden konnte (vgl. dazu Brandt 2000). Nicht zuletzt war es die Unterschiedlichkeit der methodischen Ansätze und die Nichtvergleichbarkeit ihrer Ergebnisse, welche die Bewertung von Hirnasymmetrien beim Menschen und Schimpansen erschwerten. Forscher um X. Li von der University of Edinburgh wollten diesen verwirrenden Zustand beenden, indem sie mit einer standardisierten und auf alle Primaten übertragbaren Methodik die Frage der Hirnasymmetrien und ihrer funktionellen Bedeutung erneut aufgriffen (Li et al. 2018).

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Abb. 1: Innerartliche und zwischenartliche Asymmetrien der Hirnoberfläche des links-rechts positionierten Gehirns. 1. Reihe: linke Gehirnoberfläche von oben, 2. Reihe: linke Gehirnoberfläche von außen (lateral), 3. Reihe: linke Gehirnoberfläche von unten, 4.Reihe: linke Gehirnoberfläche von innen (paramedian). In den Spalten 1 und 4 sind die Regionen mit signifikanten zwischenartlichen Positionsasymmetrien bei Menschen und bei Schimpansen dargestellt, mit blauen Farben sind Linksabweichungen, mit rötlichen-gelben Farben Rechtsabweichungen dargestellt. Spalte 2 und Spalte 3 zeigen innerartliche regionale Unterschiede bei Menschen beim Vergleich der linken mit der rechten Gehirnoberfläche, die mit Hilfe unterschiedlicher statistischer Tests erstellt wurden. (Details siehe Li et al. 2018; Bild: NeuroscienceNews.com)

Die Forscher um X. Li nutzen digitalisierte 3D-Bilddaten von Gehirnen von 223 Menschen und von 70 Schimpansen, die mit spezialisierten Verfahren der Magnetresonanztomographie erstellt und mit mehreren statistischen Verfahren analysiert wurden. Die Ergebnisse waren in ihrer Deutlichkeit für die Forscher überraschend. Die bekannten Asymmetrien zwischen der rechten und linken Hirnoberfläche bei Menschen wurden bestätigt. Besonders auffällig waren dabei die Differenzen im Bereich des Frontallappens, des Temporallappens und des Okzipitallappens. Ebenso ließ sich als Besonderheit nachweisen, dass der linke vordere Temporallappen und Anteile der überlagernden linken temporalen Furche im Vergleich mit rechts mehr nach außen verlagert sind und die linke Sylvi‘sche Fissur eine verstärkte Rechtsdrehung gegenüber ihrem Verlauf rechts zeigt. Keine dieser bei beiden menschlichen Geschlechtern analog nachweisbaren morpho-geometrischen Asymmetrien der menschlichen Gehirnareale, die u. a. große Bedeutung für die Sprachfähigkeit und das Sprachverständnis haben, konnte bei Schimpansen in dieser Signifikanz nachgewiesen werden.

Einen geschlechtsspezifischen Unterschied bei Menschen fanden die Forscher im Bereich einer Oberflächenstruktur des Frontalhirns, die in unmittelbarer topographischer Nähe zur Riechbahn an der Schädelbasis verläuft.

Die gesamte räumliche Ausdehnung der Hirnhemisphären zeigt ebenfalls Unterschiede zwischen Menschen und Schimpansen. Während die beiden Hemisphären des Schimpansengehirns in jeder der drei Dimensionen des Raumes gleich groß sind, ist die linke Hemisphäre im menschlichen Gehirn länger und weniger hoch, aber gleich breit im Vergleich zur rechten.

Die Ergebnisse dieser Studie heben nach N. Roberts, Co-Autor der Studie, „... eine besondere, subtile Eigenschaft des menschlichen Gehirns hervor, die uns von unseren engsten Primaten-Cousins unterscheidet und die sich schnell entwickelt haben könnte“.

Völlig offen bleibt für die Autoren jedoch – das war auch nicht Ziel ihrer Arbeit – wie diese Unterschiede im Verlauf der Evolution des Menschen zustande gekommen sind.

Die Arbeit belegt eindrucksvoll und methodisch sicherer als vorangegangene Studien die großen morphologischen Unterschiede des Aufbaus und der Struktur der Großhirnrinde zwischen Menschen und Schimpansen, die nach Ansicht der Autoren im engem Zusammenhang mit dem einzigartigen menschlichen Vermögen stehen, sprechen zu können.

Das „Mehr“ an biologischem Detailwissen liefert aber nicht automatisch ein „Mehr“ an Verständnis für die hypothetische evolutionäre Rekonstruktion der Entstehung dieser Hirnstrukturen, ihrer Asymmetrien und der daran gekoppelten funktionellen Eigenschaften. Im Gegenteil, sie stellen eine solche Erklärung vor noch größere Rätsel.

H. Ullrich

[Brandt M (2000) Gehirn – Sprache – Artefakte. Studium Integrale. Neuhausen-Stuttgart • Li X, Crow TJ, Hopkins WD, Gong Q & Roberts NS (2018) Human torque is not present in chimpanzee brain. NeuroImage 165, 285–293, doi:10.1016/j.neuroimage.2017.10.017https://www.sciencedaily.com/releases/2017/11/171115115011.htm (letzter Aufruf 10. 1. 2018)]


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Abb. 1: Die Erde heute. Kontrastreich: der dunkelgraue, unbelebte Erdtrabant und der blaue Planet Erde, voller Leben. Credit/Foto: NASA/Kamera-Wissenschaftsteam des Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO), 12. 10. 2015.

Diese Frage beantwortete Merkl (2017) kürzlich mit einer „etwas anderen Hypothese“. Demnach könnte das Wasser auf der Erde (Abb. 1) ein Produkt der Sonne gewesen sein: Unter der Voraussetzung eines mehrpoligen (multipolaren) Magnetfeldes in der „Frühphase“ der Erde hätte ein starker Sonnenwind ungeschützt in die mutmaßliche „Kohlendioxid-Uratmosphäre“ eindringen und die Kohlendioxidmoleküle (CO2) aufspalten können. Aus den frei werdenden Sauerstoffatomen (O) und den Wasserstoffionen (H+) des Sonnenwindes hätte sich dann Wasser (H2O) bilden können, das als Regen zu Boden fiel.

Die Hypothese Merkls (2017) unterscheidet sich deutlich von den bestehenden Theorien über die Herkunft des Wassers auf der Erde. Denn viele Geowissenschaftler sind der Ansicht, dass das Wasser von „innen“ kam, aus bestimmten Mineralien des Erdinneren, zum Beispiel Ringwoodit (Pearson et al. 2014, Kotulla 2016). Ein Großteil der Astronomen dagegen vertritt die Vorstellung, dass das Wasser von „außen“ kam, durch Einschläge von „wasserreichen“ Kometen, Meteoriten und Asteoriden.

Das heutige bipolare (stabförmige) Magnetfeld der Erde habe laut Merkl (2017) erst entstehen können, nachdem sich – nach einer langen Phase der Abkühlung – ein fester innerer und ein flüssiger äußerer Mag­netkern gebildet hatten. Das soll vor weniger als „einer Milliarde Jahren“ (oberstes Präkambrium) geschehen sein; zuvor sei das Magnetfeld multipolarer Natur gewesen.

Wie lange es gedauert haben könnte, gemäß der „Sonnenwind-Hypothese“ die Wassermasse der heutigen Ozeane zu erzeugen, zeigt Merkl (2017) anhand einer beispielhaften Berechnung. Ausgehend von heutigen Durchschnittswerten des Sonnenwindes, insbesondere der Geschwindigkeit und Teilchendichte, sowie weiterer Parameter und Annahmen errechnet er zunächst eine produzierte Wassermenge von 1,6 x 1010 kg Wasser pro Jahr bzw. 1,6 x 1018 kg pro 100 Millionen Jahre. Zusätzlich nimmt er an, dass der Sonnenwind der Sonne in ihrer „Frühphase“ – wie bei den „jungen, sonnenähnlichen Sternen in unserer kosmischen Nachbarschaft“ – 1000-fach stärker war als heute. Das ergibt 1,6 x 1021 kg Wasser in 100 Millionen Jahren. Diese Menge entspricht der Wassermasse der heutige Ozeane: 1,4 x 1021 kg. Die Berechnung soll zeigen, so Merkl (2017), „ (…) dass das auf der Erde vorhandene Wasser tatsächlich in einem vernünftigen Zeitraum durch den Sonnenwind erzeugt werden konnte.“

Des Weiteren werden Problemfelder wie die unterschiedlichen Deuterium/Wasserstoff-Verhältnisse für Sonnenwind, Kometen und Erde sowie Kohlenstoffmenge und Kohlenstoffkreislauf erklärt und diskutiert. „Den Beweis für diese Hypothese“ – insbesondere ob der oben skizzierte physikochemische Mechanismus so funktioniert haben könnte – „sollten die Astronomen in extrasolaren Planetensystemen suchen (…)“: nämlich Planeten, die größer sind als die Erde und die ein schützendes bipolares Magnetfeld noch nicht entwickelt haben.

Interessant ist, dass Merkl (2017) quasi einen zweckorientierten Entwicklungsprozess darlegt: So sei die Wasseranreicherung auf der Erde durch den „Sonnenwind-Prozess“ eine wesentlich effizientere und schnellere Art gewesen als der Beschuss durch Kometen. Auch Formulierungen wie „Viele Geowissenschaftler glauben“ und „glauben die Geophysiker“ sind bemerkenswert. Insgesamt ist Merkls (2017) Hypothese wie auch die oben genannten Theorien eingebunden in die konventionelle Vorstellung einer langandauernden kosmischen Evolution.

Grenzüberschreitung. Es gibt nur eine Quelle überhaupt, die zur Herkunft des Wassers auf der Erde eine verlässliche Aussage enthält – die Bibel. Demnach ist die Erde samt Wasser von Gott, dem Schöpfer, erschaffen worden; „Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde. (…) und der Geist Gottes schwebte über dem Wasser“ (Gen 1, 1-2). Am dritten Schöpfungstag sammelte Gott das Wasser zu einem Meer; er sprach und es geschah: „Und Gott sprach: Es sammle sich das Wasser unter dem Himmel an einem Ort, dass man das Trockene sehe. Und es geschah so. Und Gott nannte das Trockene Erde, und die Sammlung von Wasser nannte er Meer“ (Gen 1, 10-11). Die Sonne und alle anderen Himmelskörper werden von Gott am vierten Schöpfungstag erschaffen (gemacht), erst nach der Erschaffung der Erde. Im letzten Buch der Bibel, der Offenbarung („Enthüllung“), heißt es in einem prophetischen Wort über die Zukunft der Erde und des Meeres: „Und ich sah einen neuen Himmel und eine neue Erde; denn der erste Himmel und die erste Erde sind vergangen, und das Meer ist nicht mehr“ (Offb 21, 1).

Das „verlässlich“ (s. o.) bezieht sich auf den Schöpfer selbst; nur der Schöpfer alleine ist Zeuge seiner Schöpfungsakte, die er dem Menschen mitgeteilt hat. Und mit ihm der Mitschöpfer Jesus Christus: „(…) es ist alles durch ihn und zu ihm geschaffen“ (Kol 1,16).

M. Kotulla

[Kotulla M (2016) Ringwoodit: Gigantische Wasserreservoire in großer Tiefe? Stud. Intergr. J. 23, 48–52 • Merkl H (2017) Wasser der Erde – ein Produkt der Sonne? Eine Hypothese über die Herkunft des Wassers auf der Erde. Z. Dt. Ges. Geowiss. 168, 211–216 • Pearson DG et al. (2014) Hydrous mantle transition zone indicated by ringwoodite included within diamond. Nature 507, 221–224 • Bibelzitate: Deutsche Bibelgesellschaft (2016) Die Bibel. Lutherübersetzung, revidiert 2017.]


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Die Wahrnehmung einer Szenerie mit zwei Augen, die einen bestimmten Abstand voneinander aufweisen, ermöglicht räumliches Sehen. Dazu müssen die von den Sehzellen ausgehenden Nervenimpulse durch das zentrale Nervensystem entsprechend verarbeitet werden. Das bedeutet, dass der Abstand verschiedener Objekte vom Betrachter durch die beiden sich leicht voneinander unterscheidenden Bilder zuverlässig abgeschätzt werden kann. Die Fähigkeit zu räumlichem Sehen auf der Grundlage dieses Prinzips ist beim Menschen und bei Wirbeltieren nachgewiesen. Durch Versuche, diese Art räumlichen Sehens für technische Systeme wie z. B. Roboter nutzbar zu machen, wurde deutlich, dass zur Verarbeitung der beiden – sich permanent ändernden – Bildinformationen ein enormer Rechenaufwand erforderlich ist.

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Abb. 1: Eine Gottesanbeterin mit 3D-Brille. (Aus Nityananda et al. 2018, CC BY 4.0)

Man war schon länger davon ausgegangen, dass Insekten ebenfalls Entfernungen ermitteln können über die Beziehung der Winkel, unter denen sie ein Objekt mit ihren beiden Augen wahrnehmen. Ein Hinweis darauf waren zunächst Beobachtungen, dass einäugige Jäger wie z. B. Libellen kaum Beute fangen konnten. Rossel (1983) montierte zwischen dem fixierten Kopf einer Gottesanbeterin (Familie Mantidae) und einer Fliege Prismen vor jedem Auge der Jägerin (Abb. 1). Durch die damit manipulierten Winkel, unter denen die Fangschrecke die Beute sah und infolgedessen deren Entfernung entsprechend anders einschätzte, konnte er deren binokulare Stereopsis nachweisen, also die auf zwei Augen basierende Fähigkeit räumlich zu sehen.

Am Neurowissenschaftlichen Institut der Universität Newcastle, UK, werden in der Arbeitsgruppe von Jenny Read verschiedenste Aspekte des räumlichen Sehens und die entsprechenden neuronalen Grundlagen untersucht. Nityananda et al. haben für Gottesanbeterinnen ein 3D-Kino erdacht und entwickelt. Dazu verpassten sie ihnen eine 3D-Brille mit zwei unterschiedlich gefärbten Gläsern. Sie klebten mit Bienenwachs zwei unterschiedlich gefärbte Glasstückchen vor die Augen und montierten die Tiere anschließend vor einem Bildschirm. Damit konnten der Mantide durch Bildpunkte, die jeweils nur für ein Auge erkennbar waren, Objekte gezeigt werden, deren Licht in unterschiedlichen Winkeln auf das jeweilige Auge fiel. Die Wissenschaftler konnten anhand der Jagdaktivität zeigen, dass die Gottesanbeterin tatsächlich Stereosehen zur Bestimmung der Entfernung nutzt (Nityananda et al. 2016).

Jüngst hat dasselbe Autorenteam die von ihnen entwickelte Versuchsanordnung des 3D-Kinos für Mantiden genutzt, um den Mechanismus des Stereosehens bei diesen Insekten genauer zu studieren. Hintergrund war die Frage, ob das räumliche Sehen bei diesen Insekten nach einem ähnlichen Prinzip funktioniert wie bei uns Menschen, also durch Vergleich von komplexen Bildern, die sich für jedes Auge leicht voneinander unterscheiden. Die Untersuchung zeigte, dass die Mantiden die Bildbereiche aussuchen, an denen sich die Helligkeit änderte. Sie konnten in einem abstrakten Muster aus Bildpunkten, von denen die Mehrzahl statisch unverändert blieb, auf sich ändernde Bildpunkte reagieren, abschätzen, ob sich das simulierte „Objekt“ annäherte, und darauf mit Fangbewegungen reagieren. Dies gelang den Versuchstieren, selbst wenn das Hintergrundmuster, das beiden Augen angeboten wurde, jeweils unterschiedlich war und nur die sich „bewegenden“ Bildpunkte, d. h. die entsprechenden Helligkeitsänderungen, einander entsprachen. Jedes Auge sah also ein anderes Gesamtbild, aber die Änderungen einzelner Bildpunkte darin passten zusammen und die Gottesanbeterin hat das im Gegensatz zu menschlichen Probanden erkannt und entsprechend darauf reagiert.

Das räumliche Sehvermögen von Mensch und Gottesanbeterin basiert also auf unterschiedlichen Mechanismen, wobei sich das Insekt im Gegensatz zum Menschen auf die Änderungen konzentriert und nicht das gesamte Bild neuronal verarbeitet, das jeweils auf ein Auge fällt. Diese Konzentration und Reduktion der Sinnesdaten vermindert die erforderliche Leistung für die Informationsverarbeitung, im übertragenen Sinne die Rechenleistung, die das Neuronalsystem des Insekts leisten muss. Insofern eröffnet diese Beobachtung für den Bau von Robotern, die sich optisch eigenständig orientieren, Perspektiven, den Rechenaufwand für die notwendige Stereopsis deutlich zu verringern. Damit können Ingenieure in der Bionik wieder einmal davon profitieren, dass die Welt, wie wir sie wahrnehmen, für viele Herausforderungen überraschende Lösungen aufweist. Wieder eine Beobachtung, die zum Staunen Anlass gibt und als Hinweis auf den Einfallsreichtum und die Genialität eines Schöpfers gewertet werden kann.

H. Binder

[Nityananda V, Bissianna G, Tarawneh G & Read J (2016) Small or far away: size and distance perception in the praying mantis. Phil. Trans. R. Soc. 371B:20150262 • Nityananda V, Tarawneh G, Henriksen S, Umeton D, Simmons A & Read JCA (2018) A novel form of stereo vision in the praying mantis. Curr. Biol. 28, 588–593 • Rossel S (1983) Binocular stereopsis in an insect. Nature 302, 821–822]

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Studium Integrale Journal 25. Jg. Heft 1 - Mai 2018